諶儀

（交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088）

隨著中國智能交通領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的迅猛發(fā)展，智能駕駛等前沿應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)在交通運(yùn)輸行業(yè)中得到了極大的關(guān)注。近年來在智能駕駛技術(shù)的推動下，具備一定智能程度的貨運(yùn)車輛的編隊(duì)行駛應(yīng)用開始出現(xiàn)。這一應(yīng)用方案通過智能化的設(shè)備和自動化的管理模式，在實(shí)際應(yīng)用中有效解決了安全和效率方面的諸多問題。因此，貨運(yùn)車輛的編隊(duì)行駛被業(yè)內(nèi)普遍視為是貨運(yùn)（物流）行業(yè)未來的重要應(yīng)用場景之一，貨運(yùn)卡車自動駕駛編隊(duì)被認(rèn)為是最有可能率先成為自動駕駛規(guī)模商用的應(yīng)用場景[1]。

目前國內(nèi)車輛編隊(duì)行駛主要以卡車（貨運(yùn)卡車）編隊(duì)行駛為主，其技術(shù)研發(fā)、演示驗(yàn)證等工作的推進(jìn)力量以車輛制造企業(yè)和自動駕駛技術(shù)研發(fā)企業(yè)為主。典型企業(yè)包括圖森未來、智加科技、西井科技、主線科技、贏徹科技、暢行智能等。雖然當(dāng)前車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用尚不成熟，但相關(guān)企業(yè)在貨運(yùn)卡車自動駕駛編隊(duì)方面的技術(shù)研發(fā)、演示驗(yàn)證等方面都進(jìn)行了較大規(guī)模的投入。以東海大橋無人駕駛及車路協(xié)同編隊(duì)行駛項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)3輛以上卡車編隊(duì)行駛，并根據(jù)引導(dǎo)車工作狀態(tài)實(shí)行加減速、轉(zhuǎn)向、變道等操作，通過先期測試和估算，貨運(yùn)卡車編隊(duì)可有效提升東海大橋及周邊物流樞紐運(yùn)營和中轉(zhuǎn)效率，并有效降低重型卡車的司機(jī)成本和燃油損耗率。智加科技在2019年國際消費(fèi)電子展（CES2019）上展示了其L4級自動駕駛卡車技術(shù)；展會期間，作為唯一一家在展會現(xiàn)場提供實(shí)景演示的自動駕駛卡車公司，智加科技還在附近的拉斯維加斯卡車專用車道上展示了搭載上述技術(shù)的“International LT”系列牽引車。此外，西井科技、主線科技等自動駕駛企業(yè)，也都先后推出了基于自有技術(shù)的高等級（L3級或更高級別）的自動駕駛貨運(yùn)車輛。綜上所述，智能車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用將在未來一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入快速發(fā)展階段，相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用也將不斷涌現(xiàn)。

1 車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用與車輛通信系統(tǒng)特性

在諸多智能駕駛應(yīng)用場景中，車輛編隊(duì)行駛是一類具有明顯特征的典型的應(yīng)用場景。首先，車輛編隊(duì)主體是智能車輛，編隊(duì)行駛是基于智能駕駛功能之上的一種復(fù)雜程度更高的智能體協(xié)同功能[2]。因此，在車輛編隊(duì)行駛過程中所產(chǎn)生并需要被傳輸?shù)男畔⒁彩欠浅?fù)雜而多樣的。在上述信息中，可能包括車輛狀態(tài)信息、交通狀態(tài)信息、道路管控信息和駕駛環(huán)境信息等多種類別的信息數(shù)據(jù)。其次，車輛編隊(duì)行駛中的車輛位置與車輛通信系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)系。隨著車隊(duì)成員位置的變化、領(lǐng)航車變更等行為的出現(xiàn)，車隊(duì)無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會隨時(shí)發(fā)生改變[1]。最后，智能車輛編隊(duì)行駛對無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和時(shí)延指標(biāo)要求很高。當(dāng)支撐編隊(duì)的無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和時(shí)延指標(biāo)無法達(dá)到要求的情況下，進(jìn)入編隊(duì)的車輛將無法保持與車隊(duì)其他成員間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，編隊(duì)行駛的基本功能將完全喪失。因此可以認(rèn)為，智能車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用是高度依賴于車輛無線通信系統(tǒng)的。

與此同時(shí)，由于車輛在正常狀態(tài)下是高速移動的，因此車輛無線通信系統(tǒng)的工作環(huán)境是復(fù)雜多變的。尤其是在有無線信號干擾、車距過遠(yuǎn)等情況發(fā)生時(shí)，車輛無線通信系統(tǒng)的傳輸性能將會明顯降低。因此在實(shí)際應(yīng)用中，車輛無線通信系統(tǒng)能夠提供給用戶的數(shù)據(jù)傳輸容量，要比理論計(jì)算的數(shù)據(jù)傳輸容量低很多。車輛無線通信系統(tǒng)的用戶面臨著壓縮精簡用戶數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)問題。

2 主要車輛通信應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范

車輛通信系統(tǒng)應(yīng)用層相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)目前主要包括《3GPPTS22186-V2X用戶數(shù)據(jù)需求》《SAEJ273專用短程通信消息字典》和《ETSI 102.637車輛通信系統(tǒng)基本應(yīng)用集》等[3]。在綜合考慮上述國際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，中國相關(guān)組織研究編制形成了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，即T/CSAE 53—2017《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng) 車用通信系統(tǒng) 應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)是目前中國智能汽車、通信等產(chǎn)業(yè)中認(rèn)可度較高的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)從應(yīng)用定義、主要場景、系統(tǒng)基本原理、通信方式、基本性能要求和數(shù)據(jù)交互需求6個(gè)方面對17個(gè)應(yīng)用場景提出相關(guān)要求。其中所規(guī)定的消息層數(shù)據(jù)集是典型的車輛通信系統(tǒng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)集。

T/CSAE 53—2017消息層數(shù)據(jù)集用ASN.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，遵循“消息幀—消息體—數(shù)據(jù)幀—數(shù)據(jù)元素”層層嵌套的邏輯進(jìn)行制定。數(shù)據(jù)集交互的編解碼方式遵循非對齊壓縮編碼規(guī)則UPER（Unaligned Packet Encoding Rules）。消息層數(shù)據(jù)集由1種消息幀格式和5種基本消息體（Message）組成[4]。5種基本消息體具體包括車輛基本安全消息、地圖消息、路側(cè)設(shè)備消息、路側(cè)安全消息、信號燈消息。各類基本消息體的具體說明如下。

車輛基本安全消息。車輛基本安全消息是使用最廣泛的一個(gè)應(yīng)用層消息，用來在車輛之間交換安全狀態(tài)數(shù)據(jù)。車輛通過該消息的廣播，將自身的實(shí)時(shí)狀態(tài)告知周圍車輛，以此支持一系列協(xié)同安全等應(yīng)用。

地圖消息。由路側(cè)單元廣播向車輛傳遞局部區(qū)域的地圖信息，包括局部區(qū)域的路口信息、路段信息、車道信息，道路之間的連接關(guān)系等。單個(gè)地圖消息可以包含多個(gè)路口或區(qū)域的地圖數(shù)據(jù)。

路側(cè)設(shè)備消息。該消息適用于由路側(cè)單元向周圍車載單元發(fā)布的交通事件信息以及交通標(biāo)志信息。其中，交通事件信息當(dāng)前支持國標(biāo)GB/T 29100，交通標(biāo)志信息當(dāng)前支持國標(biāo)GB 5768.2。

路側(cè)安全消息。路側(cè)單元通過路側(cè)本身擁有的相應(yīng)檢測手段，得到的其周邊交通參與者的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息（交通參與者包括路側(cè)單元本身、周圍車輛、非機(jī)動車、行人等），并將這些信息整理成本消息體所定義的格式，作為這些交通參與者的基本安全狀態(tài)信息，廣播給周邊車輛，支持這些車輛的相關(guān)應(yīng)用。

信號燈消息。包含了一個(gè)或多個(gè)路口信號燈的當(dāng)前狀態(tài)信息，結(jié)合地圖消息，為車輛提供實(shí)時(shí)的前方信號燈相位信息。

此外，規(guī)范還定義了構(gòu)成基本消息體的53類數(shù)據(jù)幀，構(gòu)成數(shù)據(jù)幀的各類涉及車輛運(yùn)動、控制、道路環(huán)境等方面的各類數(shù)據(jù)要素。

3 實(shí)際應(yīng)用問題與解決對策

T/CSAE 53—2017在目前的智能駕駛相關(guān)測試和示范應(yīng)用被廣泛使用。雖然該規(guī)范所規(guī)定的17類應(yīng)用場景中沒有明確包括車輛編隊(duì)行駛的應(yīng)用場景，但其中的部分應(yīng)用場景是有可能在智能車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用中出現(xiàn)的。例如，T/CSAE 53—2017中對7個(gè)車-車協(xié)同應(yīng)用場景進(jìn)行了詳細(xì)地場景流程描述。通過場景過程描述分析可以發(fā)現(xiàn)，與車輛編隊(duì)控制直接關(guān)聯(lián)的有兩個(gè)場景，即“前向碰撞預(yù)警”和“緊急制動預(yù)警”。上述兩個(gè)場景也是車輛編隊(duì)控制中必須包含的應(yīng)用場景，即在車輛編隊(duì)行駛過程中一定會存在“前向碰撞預(yù)警”和“緊急制動預(yù)警”情況，且這兩種場景將會頻繁出現(xiàn)。與此類似的還包括“道路危險(xiǎn)狀況提示”和“限速提醒”等應(yīng)用場景?；谏鲜鲈颍琓/CSAE 53—2017在智能車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用中是具有較高的使用參考價(jià)值的。同時(shí)考慮到智能車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用中的成員車輛在一些特殊情況下，可能脫離編隊(duì)進(jìn)入到單車智能駕駛狀態(tài)，智能車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用采用共識度較高的T/CSAE 53—2017作為統(tǒng)一的應(yīng)用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將產(chǎn)生更好的工程實(shí)施效果。

但直接利用T/CSAE 53—2017的規(guī)范數(shù)據(jù)要素進(jìn)行車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)是不合適的。T/CSAE 53—2017的數(shù)據(jù)要素設(shè)計(jì)是面向一般車輛通信應(yīng)用場景的，并未考慮車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用數(shù)據(jù)的復(fù)雜多樣、邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系多變、高可靠傳輸和低時(shí)延傳輸?shù)男枨?。通過對與智能車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用高度關(guān)聯(lián)的基本應(yīng)用場景分析，可以發(fā)現(xiàn)T/CSAE 53—2017中所規(guī)定的可以支撐智能車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用的消息體或數(shù)據(jù)幀，都是由數(shù)據(jù)格式固定、容量不變、精度統(tǒng)一的數(shù)據(jù)要素構(gòu)成。如果直接使用T/CSAE 53—2017規(guī)定的數(shù)據(jù)要素構(gòu)建智能車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用數(shù)據(jù)，當(dāng)車隊(duì)成員數(shù)量逐步增加時(shí)，車輛通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用數(shù)據(jù)負(fù)載將與車隊(duì)成員數(shù)量成正比關(guān)系增加，這就直接限制了編隊(duì)車輛的數(shù)量。

為了解決上述問題，就要考慮在多車輛編隊(duì)行駛的應(yīng)用場景下，如何既要滿足應(yīng)用信息傳輸?shù)男枨?，又要有效降低車輛無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)負(fù)載。通過對車輛通信一般應(yīng)用場景的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在很多情況下車輛通信系統(tǒng)所傳輸?shù)男畔舜罅康娜哂鄶?shù)據(jù)。以T/CSAE 53—2017車輛基本安全消息為例，該消息中包含了車輛位置、時(shí)間戳、車輛身份等重要信息。但在不同的應(yīng)用場景中，對車輛位置、時(shí)間戳等信息的需求必要性和精度要求是有很大區(qū)別的。如果應(yīng)用目標(biāo)是對車輛進(jìn)行準(zhǔn)入判定，此時(shí)車輛位置就是不必要的冗余信息，而車輛身份則是應(yīng)用的關(guān)鍵信息。如果應(yīng)用目標(biāo)是車輛行駛中的碰撞避讓，則情況與上述應(yīng)用正好相反。

基于上述分析可知，由于現(xiàn)有規(guī)范數(shù)據(jù)要素的固化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了一定程度的應(yīng)用層冗余數(shù)據(jù)傳輸。這就為解決車輛通信系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)負(fù)載問題提供了一個(gè)較為可行的技術(shù)優(yōu)化思路，即：通過改變原有數(shù)據(jù)要素的固化設(shè)計(jì)方法，通過格式可選、容量可變、精度可調(diào)的數(shù)據(jù)要素，構(gòu)建具有一定載荷彈性的用戶數(shù)據(jù)，通過與應(yīng)用場景的高度匹配，最大程度上降低冗余應(yīng)用數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，進(jìn)而降低車輛通信網(wǎng)路的用戶數(shù)據(jù)負(fù)載量。

4 數(shù)據(jù)元彈性載荷設(shè)計(jì)思路

綜合考慮車輛編隊(duì)的應(yīng)用需求、主要應(yīng)用場景特點(diǎn)等因素，將車輛編隊(duì)通信系統(tǒng)所需要傳輸?shù)膽?yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象凝練后可以發(fā)現(xiàn)，任何應(yīng)用數(shù)據(jù)都是至少由時(shí)間、地點(diǎn)、事件/指標(biāo)值和信息質(zhì)量構(gòu)成的。因此可以認(rèn)為車輛編隊(duì)通信系統(tǒng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)由時(shí)間數(shù)據(jù)要素、空間數(shù)據(jù)要素、事件/指標(biāo)值數(shù)據(jù)要素和質(zhì)量數(shù)據(jù)要素構(gòu)成。

空間數(shù)據(jù)要素是指信息來源的平面位置，一般可以由絕對位置（經(jīng)緯度數(shù)據(jù)）來表達(dá)，也可以由相對位置（相對距離）來表達(dá)[5]?？紤]到不同應(yīng)用的需求，空間數(shù)據(jù)要素應(yīng)當(dāng)至少能支持上述兩種表達(dá)方式。絕對位置不依賴位置參考點(diǎn)，其精度更優(yōu)、適用場景更廣；相對位置依賴參考點(diǎn)，但可以簡化為整型數(shù)據(jù)并使用較少的數(shù)據(jù)位來準(zhǔn)確表示目標(biāo)位置。

與空間數(shù)據(jù)要素類似的，時(shí)間數(shù)據(jù)要素也可以面向不同應(yīng)用場景的采用不同的表達(dá)方式。由于時(shí)間數(shù)據(jù)要素在不同的應(yīng)用中的數(shù)據(jù)精度要求和范圍跨度要求差別巨大，時(shí)間數(shù)據(jù)要素可根據(jù)實(shí)際需求對年份、月份、日、小時(shí)，直至秒、毫秒等內(nèi)容進(jìn)行獨(dú)立使用或組合使用，以適應(yīng)不同應(yīng)用場景對時(shí)間數(shù)據(jù)跨度和精度的要求。

對時(shí)間、空間數(shù)據(jù)要素進(jìn)行統(tǒng)一格式的規(guī)范后[6]，形成的時(shí)空數(shù)據(jù)元的基本邏輯內(nèi)容和數(shù)據(jù)容量都可以根據(jù)實(shí)際使用要求進(jìn)行調(diào)整。依照本設(shè)計(jì)思路形成的數(shù)據(jù)元邏輯內(nèi)容示意及示意內(nèi)容說明如表1所示。

表1 時(shí)間空間數(shù)據(jù)元邏輯內(nèi)容設(shè)計(jì)示意

事件/指標(biāo)值數(shù)據(jù)要素和質(zhì)量數(shù)據(jù)要素，也可根據(jù)場景進(jìn)行不同的表達(dá)方式設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)過程中需要考慮的因素更多，如傳感設(shè)備的技術(shù)水平、事件檢測算法的可用性等。

本文僅以空間數(shù)據(jù)元和時(shí)間數(shù)據(jù)元設(shè)計(jì)方法為例說明彈性數(shù)據(jù)元設(shè)計(jì)方法的主要思路，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容不再贅述。根據(jù)空間數(shù)據(jù)元和時(shí)間數(shù)據(jù)元的邏輯內(nèi)容和容量估算情況，可以看出上述兩類數(shù)據(jù)元所對應(yīng)的數(shù)據(jù)要素，均是格式可選、容量可變、精度可調(diào)的數(shù)據(jù)要素。理論上看，使用上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空間數(shù)據(jù)元和時(shí)間數(shù)據(jù)元就能夠構(gòu)建形成具有彈性載荷的車輛通信應(yīng)用數(shù)據(jù)，并有可能通過適當(dāng)?shù)膽?yīng)用場景匹配，達(dá)到“需要什么，傳輸什么”的應(yīng)用效果。這也就意味著，彈性載荷數(shù)據(jù)元為降低冗余應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸提供了基本條件[7]。

5 應(yīng)用展望

面向車輛編隊(duì)通信系統(tǒng)的彈性載荷數(shù)據(jù)元的設(shè)計(jì)方法，實(shí)際是從車輛編隊(duì)?wèi)?yīng)用的面臨的實(shí)際問題出發(fā)，尋求到的一種更為靈活的數(shù)據(jù)元設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法形成的彈性載荷數(shù)據(jù)元，不僅僅局限于智能車輛編隊(duì)通信系統(tǒng)的使用。在工業(yè)制造、無人機(jī)應(yīng)用等任何多智能體協(xié)同應(yīng)用中，彈性載荷數(shù)據(jù)元的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方法都具有一定的借鑒價(jià)值。